中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

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2021年9月1-3日 | 上海世博展览馆2&4号馆

解读CMOS图像传感器5种特定的制造工艺技术

2021-01-29

CMOS图像传感器(CIS)技术的创新继续增强了数字成像的前景。尽管CMOS图像传感器的需求主要由智能手机制造商推动——手机制造商们通过利用增强的照相功能使他们的手机在对手竞争获胜。同时,CMOS图像传感器在汽车,安全,医疗和制造领域的应用市场也不断增长。

微型CMOS图像传感器,在功能上与人眼的视网膜相当,现在可以与以前只能用大型昂贵的摄像设备来实现的功能相媲美。而且,与智能手机相比,新的应用更加强调了CIS技术进步的必要性。

因此,现在的CIS技术不再仅仅是捕捉图像供人眼观看,而是捕捉数据,为从自动驾驶汽车、虚拟现实(VR)到下一代医疗成像和高科技监控系统等一系列新的应用案例提供动力。

对先进CIS技术的需求来自于各种应用。来源:SK Hynix
为确保CIS技术跟上各种更先进的应用需求,我们需要做些什么呢?

首先,让我们快速了解一下CIS技术的工作原理。然后,我们将着重介绍CIS所特有的五类制造工艺技术,这些技术将需要持续的进步。

CIS是如何工作的?

在最基本的层面上,CIS技术的任务是将来自相机镜头的光转换为数字数据,以创造出视野中的画面。当可见光波长范围为400~700nm的光能凝结在硅基板的光电二极管(PD)上时,CMOS图像传感器的硅表面接收光能形成电子-空穴对。

在此过程中产生的电子通过浮动扩散(FD)转换成电压,再通过模数转换器(ADC)转换成数字数据。这些数据被发送到处理器,以创建一个数字描述,通常是一个图像,即所看到的东西。

5种特定的制造工艺技术

生产如此精密的传感器需要特定的制造技术,可分为五类。

1.PD深层形成工艺技术

消费者对提高图像质量的持续需求,导致了如何提高移动CIS的像素密度和分辨率的竞争,而这又进一步加速了CIS工艺技术的发展。为了达到这个目的,需要进一步缩小像素尺寸,以便在相同尺寸的芯片上容纳更多的像素。

该示意图显示了光电二极管结构随着像素尺寸的减小而发生的变化。来源:SK Hynix
为了避免图像质量的恶化,深层光电二极管也是至关重要的。为了确保小像素中足够的全井容量(FWC),需要超越现有半导体存储器的难度级别的图案化和实现技术。为此,必须确保15:1以上的高长宽比,植入能够阻挡高能离子植入的掩膜工艺技术,顺应不断发展的产业趋势,使比例越来越高。

2.像素与像素之间的隔离工艺技术

当涉及到高清CIS时,像素之间的隔离技术是至关重要的。芯片制造商利用不同的隔离技术。如果使用不成熟的技术,就会产生颜色混合和颜色扩散等图像缺陷。

随着更高的像素密度和分辨率成为普遍要求,隔离度越来越成为CIS市场图像质量的重要标准。除此之外,在隔离过程中也出现了一些问题,为此,人们正在努力选择更好的设备,开发新的配方,以提高产量和产品质量。

3.彩色滤波阵列(CFA)工艺技术

彩色滤光片阵列(CFA)是CIS领域特有的工艺,在半导体存储器工艺中并不常见。CFA工艺一般包括将入射光过滤成红、绿、蓝各波长范围的彩色滤光片(CF)和提升冷凝效率的微透镜(ML)。为了创造稳健的图像质量,评估R/G/B彩色材料并开发优化形状和厚度等参数的技术非常重要。

最近,一系列高质量和高功能的CIS产品已经发布;它们基于Quad Bayer等技术,并与CFA的基本形式相辅相成。

彩色滤光片阵列的组成图图3彩色滤光片阵列由彩色滤光片和微透镜组成。来源:SK Hynix
4.晶圆堆积工艺技术

晶圆堆叠是指将两个晶圆连接在一起,是生产高像素、高清晰度CIS产品的重要技术。在高像素CIS产品中,像素阵列和逻辑电路分别在单个晶圆上形成,然后在工艺中间使用称为晶圆键合的技术进行连接。

晶圆堆叠显着提高CIS能力。来源:SK Hynix SK Hynix
晶圆堆叠技术已被大多数CIS芯片厂商采用,并在不同维度上不断发展。

5.控制CIS产量和质量的技术

在CIS产品研发和量产过程中,最基本的要求之一就是控制金属污染。由于CIS产品对污染的敏感度是存储器产品的数倍,而且污染直接影响到产品的产量和质量,因此各种污染控制技术是必须的。

除此之外,等离子体损伤控制也是一个重要因素。由于在加工过程中造成的损伤会导致热像素等图像特性的恶化,因此必须对关键工序进行准确管理。

CIS的未来展望

可以毫不夸张地说,CIS驱动的应用的有效性将由过程技术决定。这些单项工艺之间的互动方式也将发挥重要作用。仅仅优化制造工艺的某一个方面是不够的,它们必须进行优化,使之有机互补。

不过,回报是巨大的。从制造业、医疗服务到监控,几乎每一个业务环节都可以利用新的CIS技术来改善运营。有了更丰富、更详细的世界观,各行各业的公司将能够创造出更智能、更复杂的产品和服务,使其最终客户和整个社会受益。

文章及图片来源:旺材芯片